Реферат: Процессор пентиум

является крайне важным для производительности процессора в целом.

Если в каждом такте для каждого ресурса готова к выполнению толь-

ко  одна микрокоманда,  то проблемы выбора не возникает.  Но если

готовых к выполнению на данном ресурсе микрокоманд несколько,  то

какую из них выбрать?  Можно доверить выбор случаю.  Можно приме-

нить алгоритм «первый пришел - первый обслужен». Идеальным был бы

выбор микрокоманды, выполнение которой привело бы к максимальному

сокращению графа потоков  данных  выполняемой  программы.  Однако

поскольку  нет  возможности  определить такую микрокоманду в ходе

выполнения программы,  используется алгоритм планирования, имити-

рующий  модель  «первый  пришел  - первый обслужен»,  предпочитая

смежное выполнение смежных микрокоманд.

Поскольку система команд Intel содержит множество команд пе-

рехода,  многие микрокоманды также являются переходами. Алгоритм,

реализованный в буфере переходов, позволяет в большинстве случаев

правильно предсказать,  состоится или не  состоится  переход,  но

иногда он все же будет ошибаться.  Рассмотрим для примера случай,

когда буфер переходов предсказывает переход назад в конце  цикла:

до тех пор,  пока условие выхода из цикла не выполняется, переход

будет предсказываться верно,  однако когда это условие станет ис-

тинным, предсказание будет ошибочным.

Для исправления случаев неверного предсказания перехода при-

менен следующий подход.  Микрокомандам перехода еще в упорядочен-

ной части конвейера ставятся в соответствие адрес  следующей  ко-

манды и предполагаемый адрес перехода.  После вычисления перехода

реальная ситуация сравнивается с предсказанной. Если они совпада-

ют,  то проделанная,  исходя из предположения об исходе перехода,

работа оказывается полезной, так как соответствует реальному ходу

программы, а микрокоманда перехода удаляется из пула команд.

Если же допущена ошибка (переход был предсказан, но не прои-

зошел, или было предсказано отсутствие перехода, а в действитель-

ности он состоялся),  то устройство выполнения переходов изменяет

статус всех микрокоманд, засланных в пул команд после команды пе-

рехода, чтобы убрать их из пула команд. Правильный адрес перехода

направляется в буфер переходов, который перезапускает весь конве-

йер с нового адреса.

2Устройство отката

Структура устройства отката изображена на рисунке 5.

Устройство отката  также проверяет статус микрокоманд в пуле

команд: оно ищет микрокоманды, которые уже выполнены и могут быть

удалены  из пула.  Именно при удалении микрокоманды результаты ее

выполнения,  хранящиеся в пуле команд, реально изменяют состояние

вычислительной системы,  например,  происходит запись в регистры.

Устройство отката должно  не  только  обнаруживать  завершившиеся

микрокоманды, но и удалять их из пула команд таким образом, чтобы

изменение состояния вычислительной системы соответствовало перво-

начальному порядку команд в программе. При этом оно должно учиты-

вать и правильно обрабатывать прерывания,  исключительные  ситуа-

ции,  неправильно  предсказанные  переходы и другие экстремальные

·     10 -

случаи.

Процесс отката занимает два такта. В первом такте устройство

отката считывает пул команд и отыскивает готовые к откату  микро-

команды;  затем  оно определяет,  какие из этих микрокоманд могут

быть удалены из пула в соответствии с исходным порядком команд  в

программе.  Во  втором такте результаты отката записываются в пул

команд и в регистровый файл отката. Устройство отката может обра-

ботать три микрокоманды за такт.

2Интерфейс шины

Структура интерфейса шины изображена на рисунке 6.

Есть два типа обращений к памяти: чтение из памяти в регистр

и запись из регистра в память.

При чтении из памяти должны быть заданы адрес памяти, размер

блока считываемых данных и регистр-назначение. Команда чтения ко-

дируется одной микрокомандой.

При записи надо задать адрес памяти, размер блока записывае-

мых данных и сами данные. Поэтому команда записи кодируется двумя

микрокомандами:  первая генерирует адрес,  вторая готовит данные.

Эти микрокоманды планируются независимо и могут  выполняться  па-

раллельно; они могут переупорядочиваться в буфере записи.

Запись в память никогда не выполняется опережающим  образом,

так  как нет эффективного способа организации отката в случае не-

верного предсказания. Разные команды записи никогда не переупоря-

дочиваются  друг относительно друга.  Буфер записи инициирует за-

пись,  только когда сформированы и адрес, и данные, и нет ожидаю-

щих выполнения более ранних команд записи.

При изучении вопроса о возможности и целесообразности переу-

порядочения  доступа к памяти инженеры «Intel» пришли к следующим

выводам.

Команда записи не должна обгонять идущую впереди команду за-

писи,  так как это может лишь незначительно увеличить  производи-

тельность.

Можно запретить командам записи обгонять команды  чтения  из

памяти,  так как это приведет лишь к незначительной потере произ-

водительности.

Запрет командам  чтения  обгонять  другие команды чтения или

команды записи может повлечь существенные потери в производитель-

ности.

Поэтому была реализована архитектура подсистемы памяти, поз-

воляющая командам чтения опережать команды записи и другие коман-

ды чтения.  Буфер упорядочения памяти служит в качестве распреде-

лительной станции и буфера переупорядочивания. В нем хранятся от-

ложенные команды чтения и записи,  и он осуществляет их повторное

диспетчирование, когда блокирующее условие (зависимость по данным

или недоступность ресурсов) исчезает.

·     11 -

2Вывод

Таким образом,  реализованная в P6 комбинация таких архитек-турных  методов,  как  улучшенное  предсказание  переходов (почти всегда правильно определяется предстоящая последовательность  ко-манд),  анализ  потоков  данных (определяется оптимальный порядок выполнения команд) и опережающее выполнение (предвиденная  после-довательность  команд  выполняется без простоев в оптимальном по-рядке),  позволила удвоить производительность по отношению к Pen-tium при использовании той же самой технологии производства.  Эта комбинация методов называется динамическим выполнением.

В настоящее  время  «Intel»  ведет разработку новой 0,35 мкм

технологии производства, что даст возможность выпускать процессо-

ры P6 с тактовой частотой ядра свыше 200 МГц.

.

·     12 -

2Р6 как платформа для построения мощных серверов

Среди наиболее значимых  тенденций  развития  компьютеров  в последние  годы можно выделить как все возрастающее использование систем на основе процессоров семейства х86  в  качестве  серверов приложений,  так и растущую роль «Intel» как поставщика непроцес-сорных технологий, таких как шины, сетевые технологии, сжатие ви-деоизображений, флэш-память и средства системного администрирова-ния.

Выпуск процессора  Р6 продолжает проводимую «Intel» политику

переноса возможностей, которыми ранее обладали лишь более дорогие

компьютеры,  на массовый рынок.  Для внутренних регистров Р6 пре-

дусмотрен контроль по четности,  а соединяющая ядро процессора  и

кэш  второго уровня 64-битовая шина оснащена средствами обнаруже-

ния и исправления ошибок. Встроенные в Р6 новые возможности диаг-

ностики  позволяют  производителям  проектировать  более надежные

системы.  В Р6 предусмотрена возможность получения через контакты

процессора  или  с  помощью программного обеспечения информации о

более чем 100 переменных процессора или происходящих в нем  собы-

тиях,  таких как отсутствие данных в кэше,  содержимое регистров,

появление самомодифицирующего кода и так далее. Операционная сис-

тема  и другие программы могут считывать эту информацию для опре-

деления состояния процессора.  В Р6 также реализована  улучшенная

поддержка  контрольных точек,  то есть обеспечивается возможность

отката компьютера в зафиксированное ранее состояние в случае воз-

никновения ошибки.

Р6 поддерживает те же возможности  по  контролю  при  помощи

функциональной избыточности (FRC),  что и Pentium.  Это означает,

что в P6 предусмотрена возможность построения систем с параллель-

ным выполнением одних и тех же операций двумя процессорами с вза-

имным контролем результатов и сообщением об ошибке в случае  рас-

хождения.  При  этом,  к сожалению,  P6 по-прежнему не сообщает о

причине ошибки.

В модели  Р54С процессора Pentium «Intel» предложила простой

и недорогой способ организации двухпроцессорной работы: ведущий и

ведомый процессоры используют общий кэш и невидимо для приложений

разделяют программу на потоки.  Однако использовать такую органи-

зацию работы могут лишь многопоточные операционные системы.

Р6 переводит организацию многопроцессорной работы  на  новый

уровень,  соответствующий определенной «Intel» мультипроцессорной

спецификации MPS 1.1.  Одним из наиболее сложных аспектов симмет-

ричной  многопроцессорной  работы  является поддержание кэш-соот-

ветствия для всех подсоединенных к отдельным  процессорам  кэшей.

Р6  поддерживает кэш-соответствие для вторичного кэша на внутрен-

нем уровне, а внешняя шина P6 выступает как симметричная мультип-

роцессорная шина.

Раньше проектировщики мультипроцессорных систем должны  были

создавать  собственные шины для связи процессоров,  либо приобре-

тать лицензию на уже  существующие  решения,  например  Corollary

C-bus II.  Теперь средства, реализованные «Intel» в Р6, позволяют

объединить четыре процессора в мультипроцессорную систему. Четыре

- это предел, обуславливаемый принятой в Р6 логикой арбитража.

·     13 -

Еще одна проблема для производителей многопроцессорных  сис-

тем  на  базе Р6 состоит в том,  что для эффективной работы таких

систем к каждому процессору подключается выделенный  кэш,  размер

которого  должен быть больше,  чем 256 кб - размер кэша в корпусе

Р6. Таким образом, проектировщики высокопроизводительных серверов

будут  вынуждены использовать внешние контроллеры кэша и дополни-

тельные микросхемы статической памяти.

Эта проблема  будет разрешена,  если «Intel» увеличит размер

кэша второго уровня в корпусе Р6, что достижимо либо за счет уве-

личения  размера кристалла,  либо за счет перехода к более миниа-

тюрной технологии производства.  Сегодня  производители,  которые

хотят  строить системы с более чем четырьмя процессорами,  должны

объединять две или более четырехпроцессорных  системы  с  помощью

высокоскоростного последовательного соединения память-память. Ре-

ализации таких соединений для PCI ожидаются в этом году.

2Системы на основе Р6

Можно предположить,  что компьютеры на базе P6 первоначально будут  напоминать сегодняшние наиболее мощные Pentium-компьютеры: по меньшей мере 1 Гб жесткий диск, 32 Мб оперативной памяти, мощ-ные  графические  контроллеры.  Появятся первые многопроцессорные серверы на Р6.

Улучшенная диагностика и средства обработки ошибок в Р6 поз-

воляют проектировать на базе Р6 надежные серверы уровня предприя-

тия. Улучшенная поддержка симметричной многопроцессорной работы в

сочетании с поддерживающими такую работу версиями OS/2 и  NetWare

приведет к построению на Р6 еще более мощных серверов.

«Intel» предполагает,  что первыми Р6-системами будут серве-

ры, однако настольные компьютеры на P6 появятся почти одновремен-

но с ними. Цена первых настольных Р6-компьютеров будет начинаться

с 4000 долларов и расти с ростом мощности конфигурации.  С учетом

размера корпуса Р6, его потребления энергии и рассеиваемого тепла

(требуется активное охлаждение),  не следует ожидать быстрого по-

явления портативных компьютеров на Р6.

Как обычно, первыми пользователями настольных компьютеров на

процессоре нового поколения будут разработчики программного обес-

печения  и пользователи из таких областей,  как САПР,  настольные

издательские системы,  научное моделирование и  визуализация  его

результатов, статистика, одним словом, те области, которым всегда

недоставало и будет недоставать существующих скоростей.

Что касается  серверов,  то первыми кандидатами на переход к

Р6 являются серверы приложений,  осуществляющие такие работы, как

рассылку  сообщений,  доступ к базам данных и хранилищам докумен-

тов. Системные серверы и серверы печати не привязаны к конкретно-

му  типу процессоров и поэтому не испытывают таких потребностей в

увеличении мощности.

Вполне вероятно,  что  первыми покупателями Р6- систем будут

сравнительно небольшие организации, где на эти системы будет воз-

ложено выполнение самостоятельно разработанных критичных для дея-

тельности организации приложений.  Большие предприятия будут при-

обретать такие системы несколько позднее, после тщательной оценки

·     14 -

и подготовки.  Дело в том,  что большие организации эксплуатируют

значительно большее число разработанных на заказ программ и стан-

дартного программного обеспечения,  и требуется провести проверку

на его совместимость с новыми системами.

Типичная Р6-система будет включать процессор Р6  с  тактовой

частотой  133 МГц,  внешнюю шину,  работающую на половине,  одной

третьей или одной четверти от этой  частоты,  набор  чипов  Intel

Р6/PCI по имени Orion,  поддерживающий версию 2.1 32-битовой шины

PCI с частотой 33 МГц, но не поддерживающий 64-битовые расширения

PCI.

Вследствие наличия встроенного кэша второго уровня,  в боль-

шинстве  Р6-систем  будет  отсутствовать внешний кэш и контроллер

кэша. Для построения основной памяти будут использоваться обычные

60-наносекундные DRAM или,  в некоторых случаях, поддерживаемые в

наборе чипов Intel Triton для Pentium более скоростные EDO  DRAM.

Стандартной будет конфигурация с 16 Мб оперативной памяти при все

возрастающем числе систем с 32 Мб.

Первоначально Р6-системы будут включать как шину PCI,  так и

шины EISA/ISA. Однако по мере роста поддержки PCI необходимость в

EISA и ISA будет уменьшаться.  Особенно важным для этого является

появление предусмотренных в PCI 2.1 мостов PCI-PCI. Главной проб-

лемой  при использовании PCI сегодня является ограничения на сте-

пень ее нагрузки. Мосты между шинами позволяют работать с большим

числом  устройств  в пределах одного логического адресного прост-

ранства.

Включение в систему нескольких шин PCI, соединенных мостами,

позволит как избежать использования других шин,  так и подключать

помимо памяти и графики высокоскоростные сетевые интерфейсы (нап-

ример, 100 Мбит/сек Ethernet, FDDI и ATM) и высокоскоростной пос-

ледовательный ввод-вывод.

Емкость памяти на жестком диске будет по меньшей мере 730 Мб

с  использованием  интерфейса IDE или SCSI.  Большая часть систем

будет включать 2-скоростные или более быстрые CDROM.  Графика бу-

дет  обеспечивать  разрешение  1024 на 768 пикселов и управляться

картами-акселераторами с 2-4 Мб памяти.

Более необычные  конфигурации  могут  включать слоты PCMCIA,

4-скоростные CD-ROM,  поддержку 40 Мб/сек Ultra SCSI,  встроенные

10-100  Мбит/сек сетевые порты и встроенные возможности мультиме-

диа,  реализованные с помощью цифровых сигнальных процессоров или

специальных чипов для обработки звука,  ввода/вывода видеоизобра-

жений,  компрессии/декомпрессии. Некоторые производители, возмож-

но,  прибегнут  к  использованию новых типов памяти,  128-битовых

графических акселераторов,  64-битовых расширений шины  и  других

новшеств, допускаемых спецификацией PCI.

2Следующее поколение процессоров

Технология Р6  является логическим развитием технологии Pen-tium. Ожидается что в процессоре Р7 будет реализована существенно отличная от Р6 технология, обеспечивающая прорыв в производитель-ности при сохранении совместимости с семейством x86.

В прошлом  году  «Intel»  и «Hewlett-Packard» договорились о

·     15 -

совместной разработке нового микропроцессора,  появление которого

планируется на 1997 или 1998 год.  О внутреннем устройстве нового

микропроцессора пока известно лишь то,  что он будет использовать

RISC-технологию и обеспечивать выполнение всего существующего для

процессоров Intel  х86  и  Hewlett-Packard  PA-RISC  программного

обеспечения. Кроме поддержки существующих наборов команд этих се-

мейств, по всей видимости, в Р7 будет введена собственная система

команд.

Согласно преобладающей точке зрения, «Intel» и «Hewlett-Pac-

kard»  ведут эксперименты с технологией VLIW («very long instruc-

tion word» - очень длинное командное слово).  Можно сказать,  что

VLIW  в определенном смысле прямо противоположна технологии,  ис-

пользуемой в Р6.  В Р6 изощренно построенный декодер  транслирует

сложные команды х86 в более короткие и простые RISC-микрокоманды.

VLIW-процессор основывается на компиляторе нового типа,  который,

наоборот,  упаковывает  несколько  простых операций в одну «очень

длинную» команду. Каждая «очень длинная» команда содержит незави-

симые друг от друга операции, которые выполняются параллельно.

Иными словами,  во VLIW-процессоре ответственность за плани-

рование выполнения команд переносится с аппаратуры на программное

обеспечение. Планирование осуществляет компилятор, и получающийся

в результате компиляции код прикладной программы содержит всю ин-

формацию о порядке выполнения команд.

Однако пока VLIW-технология весьма несовершенна.  Во-первых,

не разработаны эффективные методы проектирования  VLIW-компилято-

ров.  Во-вторых,  вполне  вероятно,  что программное обеспечение,

разработанное для VLIW-процессора, придется перекомпилировать при

появлении процессора нового поколения.

По этим причинам,  а также учитывая и другие обстоятельства,

многие  обозреватели сомневаются в том,  что Intel и Hewlett-Pac-

kard смогут выпустить жизнеспособный с точки  зрения  конкуренции

на рынке VLIW-процессор.  Рынок процессоров х86 слишком важен для

Intel, и вряд ли Intel может полностью положиться на неопробован-

ную технологию.  Поэтому вполне вероятно,  что Intel работает над

параллельным проектом Р7, основанным на более традиционной техно-

логии, чтобы застраховаться на случай неудачи VLIW-проекта.

Дело в том что  возможности  усовершенствования  архитектуры

х86  не исчерпаны.  Естественное направление ее развития включает

усиление суперскалярности до шести одновременно  выполняемых  ко-

манд,  увеличение размера первичных кэшей,  размещение вторичного

кэша на кристалле процессора,  большее число исполнительных  уст-

ройств,  увеличение размера буферов и поддержка более длинных це-

почек выполняемых с опережением команд.

Конкуренты «Intel»  также  не  собираются сидеть сложа руки.

«NexGen» планирует выпуск процессора Nx686 в конце  1995  года  и

утверждает, что его производительность будет в 2-4 раза превосхо-

дить производительность Nx586. «Cyrix» также работает над процес-

сором-преемником М1, но подробностей пока не сообщает.

Наиболее подробно сообщает о своих планах AMD.  Следующий за

К5 процессор К6 появится в 1996 году, а его массовое производство

начнется в 1997 году. К6 будет изготавливаться по технологии 0,35

мкм и будет содержать около 6,5 миллионов транзисторов. Предпола-

·     16 -

гаемая производитель К6 - 300 SPECint92. В 1997 году AMD планиру-

ет  выпуск процессора К7,  с началом его массового производства в

1998 году. К7 будет изготавливаться по технологии 0,18 мкм; число

транзисторов - 10-15 миллионов.  Предполагается, что при тактовой

частоте 400 МГц он достигнет  производительности  700  SPECint92.

Наконец, в 2001 году AMD планирует выпуск процессора K8, содержа-

щего 20 миллионов транзисторов и  обеспечивающего  производитель-

ность 1000 SPECint92 на тактовой частоте 600 МГц.

Возможно и появление новых конкурентов. Процессоры 386 и 486

производят IBM Microelectronics,  «Texas Instruments», SGS-Thomp-

son и ряд азиатских фирм.  Однако до сих пор никто из них не  пы-

тался выйти на передовые позиции и не брался за разработку совре-

менного процессора семейства х86,  который мог бы конкурировать с

новейшими процессорами «Intel», AMD, «Cyrix» и NexGen.

.

·     17 -

2Заключение

Процессоры Р6 фирмы Intel выбраны в качестве элементной базы для первого в мире компьютера производительностью свыше триллиона операций в секунду. Уникальная машина предназначена главным обра-зом для расчетов по ядерной тематике Министерства энергетики США.

Министерство остановило свой выбор на Intel Corporation, по-

ручив ей изготовление нового компьютера, производительность кото-

рого в десять раз превысит аналогичную характеристику самых быст-

рых  современных  суперкомпьютеров.  Новая вычислительная система

будет установлена в Sandia National Laboratories  -  многоцелевой

лаборатории  Министерства энергетики США в городе Альбукерк (штат

Нью-Мексико).  В составе машины Intel/Sandia будет работать свыше

9000 микропроцессоров компании Intel следующего поколения,  полу-

чивших кодовое название Р6.

Замечательно, что  машина  Intel/Sandia  строится  из тех же

компьютерных «строительных кирпичиков», которые Intel представля-

ет  производителям компьютерной техники для использования в круп-

номасштабных параллельных системах, высокопроизводительных серве-

рах, рабочих станциях и настольных компьютерах.

Новая система будет  иметь  пиковую  производительность  1.8

триллионов  операций в секунду и в десять раз повысит быстродейс-

твие при работе с важными  прикладными  программами  Министерства

энергетики. Машина оснащается системной памятью в 262 Гбайт и бу-

дет сдана в эксплуатацию к концу 1996 года.

Недавно фирма Intel объявила новое название своего процессо-

ра P6. Теперь он будет называться Pentium Pro.

.

·     22 -

Литература

1.         Монитор N 3 1995г.

Д.Бройтман «Микроархитектура процессора P6» с.6-11.

2.         Монитор  N  5 1995г.

Д.Бройтман «Процессор P6: общий обзор» с.8-12.

3.          Hard 'n' Soft N 10 1995г.

- 18 -

Приложения

1. Сейчас эта цена уже реально меньше ($200-300)